英特爾Sandy Bridge 處理器分析測(cè)試

在之前的五期連載中，筆者介紹了Sandy Bridge處理器的架構(gòu)/微架構(gòu)上的細(xì)節(jié)，現(xiàn)在我們來看看Sandy Bridge架構(gòu)的實(shí)際性能表現(xiàn)。

SPEC CPU 2006測(cè)試

限于篇幅關(guān)系，本篇僅包括了一個(gè)測(cè)試：SPEC CPU 2006，SPEC CPU測(cè)試是業(yè)界沿用多年的一個(gè)大型CPU性能測(cè)試項(xiàng)目。SPEC是標(biāo)準(zhǔn)性能評(píng)估公司（Standard Performance Evaluation Corporation）的簡(jiǎn)稱，是由計(jì)算機(jī)廠商、系統(tǒng)集成商、大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、咨詢等多家公司組成的非營利性組織，這個(gè)組織的目標(biāo)是建立、維護(hù)一套用于評(píng)估計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。

為了保證數(shù)據(jù)的公平、有效和可信，SPEC CPU測(cè)試使用了現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用程序，而不是用循環(huán)的算術(shù)操作來進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。SPEC CPU 2006包括了12項(xiàng)整數(shù)運(yùn)算和17項(xiàng)浮點(diǎn)運(yùn)算。各個(gè)測(cè)試組件基本上由C和Fortran語言編寫，有7個(gè)測(cè)試項(xiàng)目使用了C++語言，而Fortran語言均用來編寫浮點(diǎn)部分。需要特別說明的是，SPEC CPU是一個(gè)僅提供源代碼的測(cè)試，需要自行進(jìn)行編譯生成可執(zhí)行的代碼，因此，SPEC CPU實(shí)際上也測(cè)試了使用的編譯器，好處是可以體現(xiàn)出時(shí)代變遷、編譯器更新帶來的影響，壞處是需要掌握一定的編譯器技術(shù)。

從左表中可以看出，SPEC CPU 2006的測(cè)試項(xiàng)目都有著其原來的應(yīng)用程序版本，整個(gè)SPEC CPU 2006測(cè)試就包括了多種實(shí)際的應(yīng)用程序的項(xiàng)目，例如，bzip壓縮/解壓縮和H264視頻編碼、一些游戲AI中會(huì)用到的A＊尋路算法、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中用到的HTML/XML處理等子項(xiàng)目，SPEC CPU還包含了需要處理大量數(shù)據(jù)的科學(xué)應(yīng)用程序測(cè)試項(xiàng)目。SPEC CPU是一個(gè)測(cè)試CPU子系統(tǒng)的程序，因此，其中涉及讀寫磁盤和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟糠侄家呀?jīng)修改，使得外部存儲(chǔ)子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)測(cè)試結(jié)果不造成影響。總的來說，SPEC CPU 2006包含了和CPU相關(guān)的大量測(cè)試項(xiàng)目，涵蓋了運(yùn)算密集型和內(nèi)存密集型的應(yīng)用，它可以體現(xiàn)出CPU子系統(tǒng)和內(nèi)存子系統(tǒng)對(duì)實(shí)際應(yīng)用程序的性能因素，這也就是其設(shè)計(jì)目的。

測(cè)試系統(tǒng)

我們使用了三套系統(tǒng)進(jìn)行這個(gè)測(cè)試，一套是老的Core i7 870，一套是Core i5 2500K，一套則是Core i7 2600K，前者屬于45nm工藝的Westmere架構(gòu)（Nehalem微架構(gòu)），后兩個(gè)則是32nm工藝的Sandy Bridge架構(gòu)（同樣，微架構(gòu)也是Sandy Bridge），這三套系統(tǒng)都屬于中端桌面市場(chǎng)，均只支持雙通道內(nèi)存。其中，Core i7 870和Core i7 2600K都是四核心八線程，而Core i5 2500K則是四核心四線程。Core i7 870的默認(rèn)頻率為2.93GHz，內(nèi)置2.4GHz（4.8GT/s）的QPI總線，而Sandy Bridge架構(gòu)的Core i5 2500K/Core i7 2600K則取消了QPI總線，默認(rèn)頻率提升到3.3GHz/3.4GHz，這三個(gè)處理器都搭載了Turbo Boost技術(shù)，可以在負(fù)載高的時(shí)候提升運(yùn)行頻率，不過會(huì)對(duì)性能分析帶來影響，因此本文僅給出關(guān)閉Turbo Boost技術(shù)的性能成績。所有的處理器都具有8MB的L3共享內(nèi)存。

內(nèi)存子系統(tǒng)也是SPEC CPU測(cè)試的重要因素，我們?yōu)镃ore i7 870和Core i7 2600K平臺(tái)提供了16GB的內(nèi)存（4 x 4GB），為Core i5 2500K提供了8GB的內(nèi)存，這是為了保證每個(gè)硬件線程能具備2GB的容量。Sandy Bridge處理器現(xiàn)在可以支持DDR3-1600規(guī)格的內(nèi)存，不過單條4GB的內(nèi)存還比較少能達(dá)到這個(gè)規(guī)格，例如，我們使用的4條芝奇紅鋼牙就只能支持到DDR3-1333，因此我們所有的測(cè)試都在DDR3-1333下進(jìn)行。SPEC CPU幾乎不受CPU和內(nèi)存之外部件的影響。

測(cè)試使用的操作系統(tǒng)平臺(tái)是Windows Server 2008 R2，我們?cè)谒械钠脚_(tái)上使用了老的SPEC CPU 2006 v1.1代碼進(jìn)行測(cè)試，基于SPEC CPU 2006 v1.1和一年多前的Intel Compiler 11.0，不支持Sandy Bridge的AVX指令集，這可以體現(xiàn)出Sandy Bridge在運(yùn)行老的代碼時(shí)相對(duì)上一代處理器架構(gòu)的提升，在以后我們會(huì)再進(jìn)行AVX編譯版本的測(cè)試，它將可以體現(xiàn)出Sandy Bridge在運(yùn)行優(yōu)化編碼下的性能。

SPEC CPU測(cè)試會(huì)給出大量的數(shù)據(jù)，例如，可以分為測(cè)試單線程運(yùn)行效能的speed測(cè)試和測(cè)試多線程運(yùn)行效能/測(cè)試整個(gè)處理器運(yùn)算吞吐量的rate測(cè)試，或者分為測(cè)試通常優(yōu)化性能的base測(cè)試和極致優(yōu)化性能的peak測(cè)試。此外，每個(gè)測(cè)試同時(shí)包含了整數(shù)的int測(cè)試和浮點(diǎn)的fp測(cè)試，總共會(huì)得出8個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)表，每個(gè)表包括一個(gè)總分和若干個(gè)子項(xiàng)目得分，由于不同的子項(xiàng)目代表不同的應(yīng)用，因此我們給出了具體的子項(xiàng)目成績。

性能分析：速度測(cè)試

我們先來看測(cè)試單線程運(yùn)行效能的speed測(cè)試，包含了SPECint_base2006和SPECfp_base2006兩個(gè)項(xiàng)目，它可以體現(xiàn)出處理器在將所有資源都供給一個(gè)測(cè)試實(shí)例下的運(yùn)行效能，其中，Sandy Bridge架構(gòu)的Core i5 2500K的效能比Westmere架構(gòu)的Core i7 870整數(shù)得分要高23.2%（35比28.4），浮點(diǎn)得分要高30.9%（40.2比30.7），考慮到Core i5 2500K 3.3GHz的頻率和Core i7 870 2.93GHz的12.6%的頻率差別，則同頻提升分別應(yīng)為運(yùn)行分為9.4%（整數(shù)）和16.3%（浮點(diǎn)），10%以上的同頻性能提升是個(gè)很不錯(cuò)的數(shù)據(jù)。特別是考慮到Sandy Bridge平臺(tái)在CPU主頻提升時(shí)內(nèi)存規(guī)格并沒有相應(yīng)改動(dòng)的情況下。

去掉頻率的影響之后，幾乎所有的子項(xiàng)目中性能都得到了提升，提升特別明顯的整數(shù)項(xiàng)目有401.bzip2 壓縮（26.0%）、464.h264ref 視頻壓縮（25.4%）、473.astar 尋路算法（23.0%），浮點(diǎn)項(xiàng)目有436.cactusADM 物理：廣義相對(duì)論（56.0%）、453.povray 影像光線追蹤（46.3%）、447.dealII 有限元分析（24.2%）、416.gamess 量子化學(xué)（23.8%）、437.leslie3d 流體力學(xué)（22.5%），這些都是運(yùn)算密集和緩存密集型的項(xiàng)目。

性能分析：吞吐測(cè)試

測(cè)試多線程運(yùn)行效能/測(cè)試整個(gè)處理器運(yùn)算吞吐量的rate測(cè)試是個(gè)不同的情況，它包含了SPECint_rate_base2006和SPECfp_rate_base2006兩個(gè)項(xiàng)目，它體現(xiàn)的是處理器全力運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)算吞吐量和數(shù)據(jù)吞吐量，雖然其中的單個(gè)測(cè)試線程性能會(huì)受到影響，然而處理器的資源得到了最大程度的利用。從結(jié)果來看，Sandy Bridge架構(gòu)的Core i5 2500K的效能比Westmere架構(gòu)的Core i7 870整數(shù)得分要高23.0%（110比89.4），浮點(diǎn)得分要高21.7%（88.6比72.8），考慮到頻率差別，則同頻提升分別應(yīng)為運(yùn)行分為9.2%（整數(shù)）和8.1%（浮點(diǎn)），比起speed測(cè)試要低一些，這是因?yàn)?，rate測(cè)試同時(shí)運(yùn)行了多個(gè)測(cè)試實(shí)例（這里是4個(gè)），對(duì)運(yùn)行資源的需求更高，特別是對(duì)緩存、內(nèi)存子系統(tǒng)的壓力要大了不少，因此在兩代產(chǎn)品內(nèi)存規(guī)格一樣時(shí)，Sandy Bridge會(huì)受到更多的限制。Sandy Bridge支持的DDR3-1600規(guī)格確實(shí)有必要。

去掉頻率的影響之后，提升特別明顯的整數(shù)項(xiàng)目有456.hmmer 基因序列搜索（46.4%）、464.h264ref 視頻壓縮（25.4%），浮點(diǎn)項(xiàng)目有453.povray 影像光線追蹤（44.0%）、416.gamess 量子化學(xué)（24.0%），它們是從Sandy Bridge環(huán)形總線中獲益最大的項(xiàng)目，這些都是同頻性能提升非常明顯的項(xiàng)目。

結(jié)語

和上一代Nehalem相比，Sandy Bridge最大的性能提升應(yīng)該是內(nèi)部使用的環(huán)形總線，它大大增加了L3緩存的帶寬，并降低了延遲，此外，處理器微架構(gòu)上的更新，如L0指令緩存、雙Load端口起到的作用也不小，基本上，同頻下Sandy Bridge的性能提升在10%左右，一些同時(shí)也是緩存密集型的應(yīng)用獲益將會(huì)更高，甚至可以達(dá)到56%（436.cactusADM 物理：廣義相對(duì)論）。雙通道的Sandy Bridge可以很好地在一般的桌面應(yīng)用下工作，而在運(yùn)算密集型，特別是內(nèi)存密集型的科學(xué)應(yīng)用當(dāng)中，對(duì)內(nèi)存子系統(tǒng)的壓力將會(huì)很大，特別是在超線程的環(huán)境下，對(duì)內(nèi)存容量乃至帶寬都有更高的要求，雙通道配置的Sandy Bridge將不敷使用。對(duì)應(yīng)的，英特爾準(zhǔn)備了三通道/四通道的LGA2011插槽的Sandy Bridge產(chǎn)品線，將可以更好地滿足這些應(yīng)用的需求，當(dāng)然，更高檔的定位也意味著更高的價(jià)格。限于篇幅我們沒有給出打開超線程測(cè)試的成績，不過可以指出的是，在雙通道配置下，打開超線程的speed測(cè)試成績反而是略微下降了，而rate測(cè)試雖然有所提升，然而幅度也只有1%#12316;2%，作為對(duì)比，在三通道Nehalem-EP至強(qiáng)處理器平臺(tái)上，開啟超線程帶來的性能提升可以達(dá)到5%#12316;10%。

在目前被限制為雙通道的桌面平臺(tái)上，我們可以看到環(huán)形總線架構(gòu)帶來的L3緩存可以大為提升性能，甚至英特爾還適時(shí)地加入了共享L3緩存的核芯顯卡，以充分地利用其資源。下回，我們將繼續(xù)帶來Sandy Bridge的性能，敬請(qǐng)繼續(xù)期待。